开放型模块化高性价比ATS的自主研发

摘要 结合VXI／PXI／LXI、多DSP并行处理、FPGA和ISP(In System Programming)、高速缓存、VI(Virtual Instrument)等先进技术，按照测量、控制、通信、计算机(MC3)一体化系统的思路，针对频带宽、动态范围大、瞬时性强、信号种类繁多等综合参数动态测试应用背景，探讨了开放型模块化高性价比自动测试系统ATS(Automatic Testmg System)的研制与开发。
关键词 开放型 模块化 高性价比ATS多DSP并行处理 多功能

引 言
    现代仪器科学与技术的核心是利用微电子技术、计算机技术、信息技术领域的最新研究成果来解决信息的获取、变换、传输、存储、处理与分析、利用。代表着测控技术与仪器行业最高水平的综合ATS顺应时代潮流，向模块化、智能化、多功能化、数字化、网络化和标准化方向迅猛发展，数字信号处理解决方案DSPS成为数字化时代解决电子仪器开放式体系结构OSA设汁的必要技术环节。ATS成为复杂电子设备、武器装备、现代化指挥系统安全运行和准确操作所必需的重要支撑技术，是使装备系统处于良好运行状态的重要保证。测试仪器的后勤支援保障作用和仪器视同装备的观念，已得到业界专家的认同。而PXI／VXI／LXI等ATS又过于昂贵，因此自主研发开放型高性价比ATS具有重要的现实意义和广泛的应用价值。

1 系统总体设计
    根据现实需求和潜在的未来需求，整合VXI／PXI／LXI、多DSP并行处理、FPGA／ISP、高速缓存，VI等先进技术，按照测量、控制、通信、计算机(MC3)一体化系统的思路以及模块化、总线接口标准化、通用化等电子仪器开放式体系结构(OSA)准则，本着先进、实用、可靠和经济的原则，针对频带宽、动态范围大、瞬时性强、信号种类繁多等综合参数动态测试应用背景，进行开放型、模块化、高性价比的ATS设计，其总体结构如图1所示。

    ATS硬件平台主要包括：零槽通信控制模块，高速采集与实时处理模块，高精度采集与实时处理模块，大动态范围高精度多通道智能计数器模块，基于MUX(Analog Mu(tipIexer)、PGA(Progranlmable-Gain Instrumentatlon Amplifier)、DCP(Digitally Controlled Potentiometer)、DAC(Digital to Analog Converter)、AMP(Amplifier)等高性能集成IC技术的大动态范围程控模拟前端调理(AFE)电路，以及作为ATS“神经网络”的仪器内部总线等。

2 系统功能模块设计
2.1 零槽通信控制模块设计
    如图1所示，零槽通信控制模块在整个系统中起承上启下的桥梁作用：既是上层PC软件直接操控的对象，接收上位PC控制命令、上传系统状态信息和测试数据；又是底层硬件的“大脑”，对内控制各功能模块。零槽通信控制模块原理框图如图2所示，主要包括外部PC通信接口模块(如UART、EPP、USB、Internet、IDE、ISA、PCI／PXI、FireWire、蓝牙等标准PC外设接口)，内部总线接口模块(多DSP／MPU之间的SLC，主要有SCI、I2C、SPI、IDMA、HPI、Link、SPORT、Share-in Bus、DPRAM／FIFO数据池、网络交换机等总线接口形式)和扩展功能模块(主要用于人机交互、基于Flash／CF卡／硬盘的ROM扩展和基于DRAM／SDRAM的RAM扩展)。在设计时遵循“软硬件一体化”和“在系统持续升级化”的原则，以高性能DSP为主控中心、以FPGA／CPLD为编译码与时序逻辑控制设备，进行开放性、模块化设计。至于采用何种接口，要根据实际情况具体问题具体分析。

2.2高速采集与实时处理模块设计
    高速采集与实时处理模块主要对宽带电压信号(如各类压电传感器输出信号)进行程控调理、高速连续采集、大容量同步缓存、实时处理及同步数据传输等。如图3所示，多通道高速连续采集与实时处理模块主要包括基于信号程控选择(MUX)、程控放大(PGA)、程控衰减(DCP)、直流电平偏置、抗混迭滤波(LPF)以及自校正参考源(DAC)等具有白检和自标定功能的高精度、大动态范围的程控模拟前端AFE(Analog Front End)，在FPGA／ISP的控制下，可对大动态范围(-10～+10V)宽带电压信号进行智能化精密调理，直流测晕精度达到了O．O5％FS(FullScale，满量程)。利用DSP以及其他数字部件(MUX)，通道输入信号可切换为内部的DAC。用DAC产生特定的直流、交流标定信号，不仅可以标定通道的增益与零偏，而且还可自检模拟通道的功能正确与否。由高速ADC、高性能DSP和高速缓存(FIFO一级缓存和SDRAM二级缓存)三者构成一个灵活、紧凑的实时信号处理结构，能够保证DSP充分发挥高密度、实时信号处理能力(数字滤波、特征提取和测试数据实时压缩等)，同时实现高速缓存、连续采样和同步数据传送。基于SPORT接口，本卡既可接受PC的监控调试和通信控制，又可与其他系统进行分布式同步瓦联。通过总线接口逻辑控制FPGA／CPLD和驱动隔离部分，可以SPORT、多SHARC DSP共享总线、HPI／IDMA、LinkPorts等方式建立起与零槽通信控制模块的通信控制和数据交换。既可通过DSP标准JTAG口，借助商品化DSP开发器进行PC监控调试，又可利用DSP两根可编程I/O引脚，辅以特定的时序控制实现PC-UART口监控调试DSP，本模块可独立自成系统。

2．3 高精度采集与实时处理模块设计
    如图4所示，多通道高精度连续采集与实时处理模块主要包括模拟前端调理电路、高精度串行ADC、FPGA、高速缓存(SDRAM)、触发定时控制、DSP、总线接口和PC监控调试接口等部分。主要适用于热电偶、应变片、压阻、热电阻等传感器初步调理的电压信号、通用电压信号进行高精度程控调理和实时采集。影响采集系统精度的主要因素是ADC转换位数和输入ADC的电压范围。为扩大系统测试动态范围，实现精密测量，除了选择性能优良的ADC芯片和充分抑制信号传输通道噪声外，还需要将大动态范围的输入电压信号进行程控调理，实现ADC最佳输入范围。为实现l～10000倍的程控增益倍数设计(微弱信号)，模拟前端调理电路由一级放大(PGA)、二级放大(程控增益放大器和程控滤波器PGA＆F)部分组成。PGA可提供1、10、l00和l000倍的一级程控增益PGA＆F可提供l～16倍的二级程控增益与截止频率为lO～150 kHz的程控滤波，DAC为8路模拟调理电路提供调零信号。利用DSP以及其他数字部件(MUX、差动放大器。PGA等)，通道输入信号同样可切换为内部的DAC。DSP同步控制大容量SDRAM(如HY57V641620)，可实现模块4M字高速同步缓存；在保证采样数据高速采集的同时，可为DSP触发判别或实时处理提供数据缓冲。由ADC、DSP和高速缓存SDRAM三者构成一个灵活、紧凑的实时信号处理结构，保证DSP发挥实时信号处理能力。FPGA主要实现8路高精度串行ADC(如24位)输出数据的串／并转换和ADC控制等。总线接口部分同2．2小节。

2．4 智能计数器模块设计
    图5为基于DSP和FPGA的8通道大动态范围高精度智能计数器模块原理框图。
    图中主要包括大动态范围计数器模拟前端调理电路、基于DSP和FPGA的智能计数器和总线接口部分(同2．2和2．3小节)，用于转速传感器等脉冲式传感器测量，也可接入TTL信号直接进行时间计数与频率测量。计数器模拟前端调理电路包括隔直滤波、输入阻抗匹配、限压保护、分压限流、高速比较以及缓冲整形等部分，可自动将大动态范围(BW：l Hz～lO MHz，±50V)的周期性正弦波、三角波或锯齿波信号调理成适合计数的标准TTL信号输出。计数器／测频模块采用FPGA硬件加DSP软件相结合，可灵活实现超高范围的高性能智能计数：累加计数范围为232-l，原则上计数器字宽不受限制；频率测量精度可达到1×10-5；既可统一选择外部闸门信号，又可程控选择通道1～8中的任一通道作为其他通道的闸门信号。

结 语
    基于以上设计思路，笔者自主研发的开放型、模块化、高性价比的ATS如图6所示。
    本系统各个开放性、高性价比、全数字化功能模块皆可自成体系，可对各种常用工业传感器信号进行大动态范围高精度程控调理、高速高精度连续采集和实时处理，在高端智能仪器、ATS和ATE中有着广泛的可移植性；且易于实现网络化升级，各功能模块仪器总线接口扩展为网络接口、零槽通信控制卡扩展为测控HUB、仪器总线扩展为光纤以太网络，即可满足以测控服务器、测控HUB和探头为基本逻辑单元，逻辑上由构造层、连接层和仪器层构成的网络仪器开放体系结构规范。